鈦合金葉片型面電解加工工藝研究

盛文娟

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110043)

某型機(jī)鈦合金葉片材料為 TC4,因其比密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕,在追求重量輕的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中成為壓氣機(jī)葉片的主體。在結(jié)構(gòu)上,該葉片壁薄、兩端帶緣板、空間曲面且形狀復(fù)雜;在材料上,該葉片難切削。采用傳統(tǒng)的五坐標(biāo)數(shù)控銑削工藝,刀具損耗大、消耗費(fèi)用高,加工方法不當(dāng),易造成表面燒傷、加工變形、被加工表面殘余應(yīng)力過大、表面質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低等缺陷。而采用電解加工更適于發(fā)揮其工藝特長(zhǎng)。因電解加工是陽極金屬溶解的電化學(xué)反應(yīng)過程,加工不受材料硬度限制,且電解加工速度快、表面質(zhì)量好、無毛刺、無應(yīng)力、無再鑄層、無顯微裂紋,特別適合于難切削材料的加工,適用于薄壁件、空間曲面、形狀復(fù)雜的零件批量生產(chǎn),具有成本低、質(zhì)量高、效率高且加工過程中工具陰極不損耗等優(yōu)點(diǎn)。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,鈦合金葉片表面成形加工采用電解加工具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)外在葉片電解加工方面進(jìn)行了深入的研究和嘗試,其綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于采用精鍛毛坯、輥軋毛坯。如英國(guó)R.R公司早在20世紀(jì)80年代就能使葉身全部形面在一臺(tái)360°電解加工設(shè)備上一次加工成形,至今仍是國(guó)外葉片電解加工先進(jìn)的工藝技術(shù)。現(xiàn)美、德等國(guó)也已應(yīng)用,足以見得葉片形面采用電解加工有著不可估量的經(jīng)濟(jì)效果。而我國(guó)仍停留在半精加工水平,因此開展這方面的研究工作很有必要。該項(xiàng)試驗(yàn)以某形機(jī)鈦合金葉片形面為研究對(duì)象,進(jìn)行了形面電解加工工藝技術(shù)的研究探索,完成了大量的工藝試驗(yàn),使葉片電解加工技術(shù)不斷完善,提升其加工技術(shù)水平。

1 鈦合金葉片電解加工工藝分析

鈦合金葉片材料為 TC4,是一種典型的 α+β型兩相合金,葉片毛坯為鍛件,屬于難加工材料。該葉片形狀復(fù)雜,葉身形面較薄且面積較大,而且葉身形面是由坐標(biāo)點(diǎn)組成的空間扭曲曲面,各截面的形線都不相同,精度要求高,因此不能用成形銑削加工,只能用數(shù)控銑削加工或電解加工。而數(shù)控銑削加工在實(shí)際生產(chǎn)中存在一些問題,如:加工方法不當(dāng)易引起零件變形,造成表面燒傷,被加工表面殘余應(yīng)力過大,易出現(xiàn)廢品。電解加工作為一種特種加工技術(shù),是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的電化學(xué)反應(yīng)原理,并借助于成形的工具陰極將零件加工成形的一種工藝方法。其特點(diǎn)是加工速度快、表面質(zhì)量好,不受材料硬度限制,電極與工件不接觸、不產(chǎn)生宏觀的切削力,電極不損耗、可節(jié)省大量的刀具費(fèi)用,加工效率是數(shù)控銑削工效的5～10倍,特別適合于葉片的成批生產(chǎn)。鈦合金葉片成形后的外形見圖1。

鈦合金葉片電解加工的原理及工藝規(guī)律雖然和一般材料的電解加工有共性之處,但也有其特殊性。實(shí)現(xiàn)鈦合金葉片的電解加工,不僅要解決加工表面易形成鈍化膜、造成加工困難而影響表面質(zhì)量的難題,同時(shí)還要解決由于葉片形面較大、形狀復(fù)雜、易使電解加工過程中電解液的流場(chǎng)分布不均而造成加工表面的流痕問題。因此,控制電解加工的工藝參數(shù)、流場(chǎng)及對(duì)葉片安裝板進(jìn)行多種防腐蝕措施,是保證零件的加工精度、表面質(zhì)量、完成工藝研究的重點(diǎn)。鈦合金葉片毛坯簡(jiǎn)圖見圖2。

2 電解加工工藝裝備

電解加工設(shè)備包括電解加工機(jī)床、加工電源、控制系統(tǒng)、電解液系統(tǒng),電解工藝裝備是機(jī)床的獨(dú)立附件,主要由夾具及工具陰極組成。

2.1 電解機(jī)床改進(jìn)

因葉片尺寸較大,葉身形面面積為165 cm2,電流密度為20 A/cm2,需要的加工電流一般達(dá)到3000 A以上,故將DJ3電解機(jī)床水電解改為混氣電解,在機(jī)床進(jìn)液口處安裝一個(gè)材質(zhì)為不銹鋼的長(zhǎng)方形強(qiáng)制式氣液混合器。這樣,可采用較小的加工電流,以補(bǔ)償加工3000 A電源容量偏小的問題,同時(shí)也改善了電解液的流動(dòng)性,增加流場(chǎng)的均勻性,減小加工間隙,提高葉片的整平比和加工精度。

2.2 夾具的研制

夾具的作用在于保證工件和陰極間的相對(duì)位置,形成封閉的加工區(qū)和液流通道,并將加工電流導(dǎo)入極間加工區(qū)。它除了要定位和夾緊工件外,還要具有導(dǎo)電、絕緣、密封、導(dǎo)流和防腐等功能。圖3是夾具上、下安裝板座造型圖。

圖3 夾具上安裝板座和下安裝板座

(1)圖2中,葉片上安裝板圓柱面 A面、上安裝板平面C面、側(cè)面 D面作為定位基準(zhǔn)面。C面作為導(dǎo)電部位較光滑,表面粗糙度Ra 1.6μm,具有較大的導(dǎo)電面積,為夾緊、導(dǎo)電面。

(2)將葉片靠到與之相對(duì)應(yīng)的夾具定位面定位,用雙壓板螺紋夾緊結(jié)構(gòu)壓緊F面以防工件轉(zhuǎn)動(dòng),并對(duì)葉片上緣板產(chǎn)生一定的屏蔽作用,防止腐蝕。同時(shí)采用直徑32mm的紫銅導(dǎo)電桿,并用液壓壓緊C面,在結(jié)構(gòu)上保證不影響定位和壓緊。

(3)下安裝板圓柱中心孔 B作為葉片另一端定位面和壓緊面,中心孔由液壓油缸驅(qū)動(dòng)頂尖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),油缸活塞桿的行程應(yīng)保證零件能方便取出。

(4)下安裝板側(cè)面H、E面,在結(jié)構(gòu)上采取鉸鏈壓緊方式。其特點(diǎn)是能夠完全敞開,方便裝取工件;封閉時(shí)加工工件,并對(duì)葉片下緣板產(chǎn)生一定的屏蔽作用,防止腐蝕。

(5)為保證葉片非加工部位的防腐蝕要求,在夾具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用玻璃鋼等防腐材料,所有夾緊件的壓緊力和剛度足夠,在電解液壓力的作用下葉片位置不變。

2.3 工具陰極的研制

工具陰極的功能在于成形、導(dǎo)流、導(dǎo)電,其形狀和尺寸直接影響加工精度和加工質(zhì)量。對(duì)于陰極的一般要求為:流場(chǎng)設(shè)計(jì)合理,強(qiáng)度、剛度可靠,導(dǎo)電面積充分可靠,裝卸、定位方便。電極研制時(shí)需注意:

(1)電極材料采用不銹鋼1Cr18Ni9Ti,電極的兩側(cè)面粘貼環(huán)氧樹脂絕緣,防止加工過程中電極加工葉片上、下緣板,同時(shí)保證電解表面的加工尺寸要求,電極略寬于葉身0.5mm。電極的引水段應(yīng)引水順利,特別是進(jìn)、排氣邊緣應(yīng)平滑轉(zhuǎn)接。

(2)電極的成形采用電解加工用的標(biāo)準(zhǔn)葉片,對(duì)電極形面進(jìn)行反拷加工初步成形,再用葉片經(jīng)反復(fù)修整達(dá)到加工精度要求。

(3)電極與夾具的配合間隙小于電解加工區(qū)間隙,防止大量電解液泄漏掉,造成加工區(qū)電解液流場(chǎng)不穩(wěn)及流量、流速不足,影響加工質(zhì)量。

2.4 流場(chǎng)設(shè)計(jì)

由于鈦合金對(duì)流場(chǎng)的變化反應(yīng)非常敏感,流場(chǎng)的合理設(shè)計(jì)和有效控制可提高葉片的加工精度和表面質(zhì)量。由于該葉片尺寸較大,液流經(jīng)過加工區(qū)域流程較長(zhǎng),采取側(cè)流方式,可使流程縮短。液流由進(jìn)氣邊流進(jìn),由排氣邊流出,流道布置呈收斂形狀。保證在較大參數(shù)加工條件下,使加工區(qū)電解液呈紊流狀態(tài),流場(chǎng)流暢、均勻和穩(wěn)定,有力地沖刷加工表面,擊穿零件表面各處的鈍化層,及時(shí)帶走加工區(qū)域的電解產(chǎn)物和熱量,防止加工中形成死區(qū)和空穴,達(dá)到均勻蝕除的效果,使電化學(xué)反應(yīng)能正常進(jìn)行。

3 工藝試驗(yàn)

葉片電解加工中影響加工精度的因素較多,一定的電極形面在不同的電解加工參數(shù)下,加工出的葉片幾何尺寸會(huì)有所不同。合理選擇電解加工參數(shù)是保證零件加工精度和表面質(zhì)量的重要因素,是工藝試驗(yàn)研究的重點(diǎn)。因該葉片材料為鈦合金,其工藝參數(shù)(電壓、溫度和壓力)應(yīng)設(shè)為高參數(shù)。在工藝試驗(yàn)中要注意以下幾個(gè)工藝指標(biāo)選擇,并可視加工情況調(diào)整工藝參數(shù)范圍。

3.1 電流密度

電流密度是重要的加工參數(shù),直接影響加工效率和工件表面粗糙度,間接影響加工精度。在采用線性電解液時(shí),加工速度與電流密度成線性正比關(guān)系,即電流密度越高,工件材料去除速度越快,工件的表面質(zhì)量也將隨著加工電流密度的增大而改善,表面粗糙度值迅速降低。電流密度對(duì)加工精度的影響是在一定的加工電壓和電導(dǎo)率條件下,電流密度越高,加工間隙越小,則加工效果越好,但存在一定的上限。如過高就會(huì)阻礙陽極溶解正常進(jìn)行,加工區(qū)出現(xiàn)蒸發(fā)、沸騰、空穴等異?，F(xiàn)象,導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)疤、短路等故障,致使加工中斷。因此,電流密度以不出現(xiàn)加工異常為前提。經(jīng)試驗(yàn),電流密度確定為20～30 A/cm2。

3.2 加工電壓

加工電壓是建立極間電場(chǎng)使電解加工得以進(jìn)行的原動(dòng)能量來源。試驗(yàn)中在確定電流密度和電解液電導(dǎo)率后,開始選擇加工電壓。加工電壓越高,加工間隙就越大,導(dǎo)致加工誤差加大,同時(shí)間隙熱損耗加大,能耗增加。因此,在確保所需電流密度正常加工的前提下,加工電壓值應(yīng)盡量選取下限值。通過調(diào)整電壓值來調(diào)整所要求的間隙,以取得正常加工的最小間隙值,并使能耗最低。由于葉片材料為鈦合金,且鈦合金的鈍性溶解其分解電壓較高,可高達(dá)7 V左右,而NaCl電解液電導(dǎo)率較高,因而所需的加工電壓值就較高,一般為20～24 V。

3.3 電解液的選擇

在加工鈦合金時(shí)多選用復(fù)合電解液,因?yàn)閺?fù)合電解液易達(dá)到均勻活化或超鈍化溶解狀態(tài),合適的配比可使電解液達(dá)到較優(yōu)的加工性能。但在實(shí)際加工中,根據(jù)葉片的加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率及被加工材料的特性,通常選用單一組分的具有線性特征的NaCl水溶液。其特點(diǎn)為溶解度大,導(dǎo)電率高,低粘度,高比熱,組分不消耗,凈化后可循環(huán)使用,且電流效率達(dá)到90%以上,提高了加工效率。既經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、便于處理,又可滿足工件的加工要求,與復(fù)合電解液相比會(huì)帶來許多便利。

3.4 電解液參數(shù)的選擇

電解液參數(shù)是指電解液的流量、壓力和溫度,是確保電解加工正常進(jìn)行的必要條件。其中,最基本的參數(shù)是電解液的濃度、壓力及溫度。

(1)電解液的濃度:因鈦合金葉片易滲氫,應(yīng)選擇較低濃度的NaCl水溶液,嚴(yán)格控制濃度在5%～8%范圍內(nèi),同時(shí)也可避免雜散腐蝕,提高加工精度。

(2)電解液壓力:應(yīng)以確保獲得順利、穩(wěn)定加工所需的流量、流速為原則。由于流量測(cè)量較復(fù)雜,且允許的變化范圍較大,加工中以調(diào)整壓力來達(dá)到要求的流量和流速。確保與選用的電流密度、加工間隙合理匹配,帶走加工過程產(chǎn)生的電解產(chǎn)物、熱量及去極化現(xiàn)象,確保在給定的電流密度下加工能正常、穩(wěn)定地進(jìn)行,不發(fā)生空穴、結(jié)疤而導(dǎo)致短路等故障。經(jīng)工藝試驗(yàn)確定電解液壓力為0.3～0.4 MPa,氣壓應(yīng)稍高于液壓以防電解液倒流,因此氣壓確定為0.4～0.5 MPa。

(3)電解液溫度:是確保陽極溶解過程正常進(jìn)行和設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的另一必要條件。因鈦合金葉片表面易形成鈍化膜,溫度過低陽極表面易鈍化、結(jié)疤,使加工無法正常進(jìn)行,影響零件表面質(zhì)量;溫度過高,則局部電解液可能沸騰、蒸發(fā),導(dǎo)致局部可能出現(xiàn)空穴現(xiàn)象,使該處加工中止;溫度過高還可能引起工裝乃至工作箱熱變形,或引起電解液泄露及工件、陰極定位精度下降。經(jīng)工藝試驗(yàn),電解液溫度應(yīng)在(42±2)℃,可防止葉片表面粗糙,提高葉片表面質(zhì)量。

4 鈦合金葉片加工中的調(diào)節(jié)

鈦合金葉片電解加工一直存在若干技術(shù)難題,其中主要是難以得到均勻而光整的表面,非加工面的雜散腐蝕較嚴(yán)重,導(dǎo)電面易燒傷。在工藝條件稍有偏離時(shí)加工面就易出現(xiàn)各種疵病,如:藍(lán)紫膜、鱗斑、流痕、亮帶、黑疤等,使鈦合金葉片電解加工難以穩(wěn)定地用于生產(chǎn)。經(jīng)多次試驗(yàn),加工了一批零件,取得了鈦合金葉片電解加工的規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)。

(1)葉片上安裝板導(dǎo)電面易燒傷。加工過程中,在直徑32mm紫銅導(dǎo)電桿與葉片導(dǎo)電面之間加軟鉛皮,柔性接觸,使導(dǎo)電面之間貼合緊密,保證接觸良好。

(2)鈦合金葉片易點(diǎn)蝕。當(dāng)葉盆、葉背兩余量不均時(shí),先加工到尺寸的一面斷電后,由于另一面還在繼續(xù)加工而被雜散腐蝕,破壞了先加工好的表面,即使將其再度小余量加工仍得不到光整表面。在葉片電解加工中,通常自動(dòng)測(cè)毛坯尺寸,陰極自動(dòng)退出預(yù)置的初始間隙,先加工余量大的面,兩余量相等后再采取雙面進(jìn)給加工方式,同時(shí)加工到終點(diǎn),防止造成被加工表面的雜散腐蝕。

(3)鈦合金葉片易滲氫。在正常加工條件下,電解加工后鈦合金葉片表層平均含氫量不會(huì)超過材料氫的含氫量,通常H%不大于0.015,但工藝參數(shù)選擇不匹配時(shí),表層個(gè)別處可能會(huì)稍超出規(guī)定的數(shù)值,這是不允許的,因此應(yīng)嚴(yán)格按照要求的工藝參數(shù)進(jìn)行加工,實(shí)時(shí)監(jiān)控電解液的百分比濃度,且批量生產(chǎn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行首件含氫量理化檢測(cè)。

(4)鈦合金葉片易形成鈍化膜。電解液溫度應(yīng)大于40℃,以改善加工區(qū)域流場(chǎng)短缺現(xiàn)象,提高電壓和電流密度,防止葉片加工表面粗糙,出現(xiàn)蘭紫膜、鱗斑現(xiàn)象,提高葉片表面質(zhì)量。

(5)葉片形面有流痕現(xiàn)象。因葉片電解加工時(shí)常有鹽結(jié)晶堵塞氣液混合器,需定期疏通以改善流場(chǎng),提高葉片表面質(zhì)量。

(6)葉片非加工表面易雜散腐蝕。電解加工時(shí),除了工裝設(shè)計(jì)應(yīng)保證葉片上、下安裝板密封要求外,還可先將葉片上、下安裝板側(cè)面四周涂可剝漆或纏氯乙烯膠布后再定位、裝夾,防止雜散腐蝕效果更好。

5 結(jié)語

葉片是國(guó)內(nèi)外電解加工的主要應(yīng)用對(duì)象,雖然近年來國(guó)內(nèi)葉片電解加工技術(shù)發(fā)展較遲緩,缺乏突破性進(jìn)展,但隨著新型航空、航天推進(jìn)器及渦輪機(jī)械的發(fā)展,對(duì)難加工材料、特薄型、大扭角、低展弦比、高精度的新型葉片提出了更高的加工要求,越發(fā)需要采用電解加工。近20年來,隨著電解加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,電解加工葉片也得到了進(jìn)一步的發(fā)展和擴(kuò)大應(yīng)用。國(guó)外已率先運(yùn)用高頻窄脈沖電流電解加工新技術(shù),使葉片在復(fù)制精度、重復(fù)精度、表面質(zhì)量、加工效率、加工過程的穩(wěn)定性等方面都有了顯著提高,并可一次精密成形。隨著新工藝、新技術(shù)的快速引進(jìn),國(guó)內(nèi)葉片電解加工會(huì)很快提高到一個(gè)新的細(xì)微、精密成形的加工水平,使葉片電解加工工藝依然是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片批量生產(chǎn)及新機(jī)研制的重要且不可缺少的主要工藝,并將長(zhǎng)期存在和發(fā)展。

[1]徐家文.電化學(xué)加工技術(shù):原理、工藝及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

[2]《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì).航空制造工程手冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1993.